[論文レビュー] Adding harmonics to the interpretation of the black hole mergers of GWTC-1

M. Mateu-Lucena, S. Husa+6 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、GWTC-1カタログに含まれる10件の二重ブラックホール合体現象を、下位モードを含む改良されたIMRPhenom波形モデルを用いて再分析した。全体的には一貫性のある結果が得られたが、特にGW170729においては高次モードの効果が顕著に検出され、質量比が不釣り合いになる方向に事後分布がシフトした。その結果、太陽質量の $57.3^{+12.0}_{-10.9}$ という推定値が得られ、ペア不安定性超新星質量ギャップの下限に近い位置に位置づけられた。

ABSTRACT

We consider the ten confidently detected gravitational wave signals in the GWTC-1 catalog [1] which are consistent with mergers of binary black hole systems, and re-analyze them with waveform models that contain subdominant spherical harmonic modes. This analysis is based on the current (fourth) generation of the IMRPhenom family of phenomenological waveform models, which consists of the IMRPhenomX frequency-domain models [2-5] and the IMRPhenomT time-domain models [6-8]. We find overall consistent results, with all Jensen-Shannon divergences between the previous results using IMRPhenomPv2 and our default IMRPhenomXPHM posterior results below 0.045 bits. Effects of subdominant harmonics are however visible for several events, and for GW170729 our new time domain IMRPhenomTPHM model provides the best fit and shifts the posterior further toward more unequal masses and a higher primary mass of $57.3^{+12.0}_{-10.9}$ solar masses at the lower end of the PISN mass gap.

研究の動機と目的

• GWTC-1における二重ブラックホール合体の解釈に、下位の球面調和モードが与える影響を評価すること。
• 物理的波形モデルに高次モードを組み込むことで、パrameter推定の精度を向上させること。
• これらのモードを含めることで、特に非対称または高質量系において事後分布がどのように変化するかを調査すること。
• 時間領域および周波数領域の新しいIMRPhenomXPHMおよびIMRPhenomTPHMモデルが観測信号をどの程度うまく適合できるかを評価すること。

提案手法

• 本分析では、下位モード (l,m) = (2,1), (2,0), (3,3) を含む、第4世代のIMRPhenomXPHM（周波数領域）およびIMRPhenomTPHM（時間領域）波形モデルを用いた。
• ベイズ推論を用いて、二重ブラックホールパラメータの事後分布を計算し、IMRPhenomXPHMとベースラインのIMRPhenomPv2モデルの結果を比較した。
• 新しいモデルと従来モデルの事後分布の差を定量化するために、Jensen-Shannon発散を計算した。
• 分析は、特に高質量かつ非対称な性質を示すGW170729に注目して、GWTC-1で信頼性高く検出された10件のイベントに適用した。
• モデル比較は、ベイズ的証拠および適合度指標を用いて実施し、高次モードを含むモデルがデータをよりよく記述できるかどうかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 下位の球面調和モードは、GWTC-1における二重ブラックホール合体の推定パラメータに顕著な影響を与えるか？
• RQ2 波形モデルに高次モードを組み込むことで、質量およびスピンパラメータの事後分布はどのように変化するか？
• RQ3 GW170729のような特定のイベントにおいて、IMRPhenomTPHM時間領域モデルがIMRPhenomXPHMより優れた適合性を示すか？
• RQ4 高次モードの組み込みにより、GW170729の推定一次質量がペア不安定性超新星質量ギャップの下限に近づくか？
• RQ5 標準のIMRPhenomPv2モデルと、新しいIMRPhenomXPHM/TPHMモデルとの間で、事後推定にどの程度の定量的差が生じるか？

主な発見

• 10件のGWTC-1イベントすべてについて、IMRPhenomPv2とIMRPhenomXPHMの事後分布間のJensen-Shannon発散は0.045ビット未満であり、全体としての一貫性を示している。
• 下位調和モードはパrameter推定に測定可能な効果をもたらし、特にGW170729においては、質量比が不釣り合いになる方向に事後分布がシフトした。
• GW170729においては、IMRPhenomTPHMモデルがテストしたすべてのモデルの中で最も良い適合性を示し、信号の高次モード成分をよりよく記述した。
• GW170729の一次質量は $57.3^{+12.0}_{-10.9}$ 太陽質量と推定され、ペア不安定性超新星質量ギャップの下限に近い位置に位置づけられた。
• 高次モードの組み込みにより、質量分布がより非対称になり、標準モデルと比較して一次質量が高め、二次質量が低めの事後分布が支持された。